微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究
纳米纤维MEMS压力传感器的性能研究
纳米纤维MEMS压力传感器的性能研究近年来，纳米技术的发展已经渗透到了各个领域，其中之一便是传感器技术。
纳米纤维MEMS压力传感器作为一种新型传感器，具有其独特的性能和应用潜力。
为了深入了解和改善其性能，对纳米纤维MEMS压力传感器进行性能研究显得尤为重要。
首先，纳米纤维MEMS压力传感器的灵敏度是其性能的重要指标之一。
通过对其灵敏度的研究，可以确定传感器对压力变化的响应程度。
研究发现，纳米纤维的直径和长度对传感器的灵敏度具有显著影响。
较小直径和较长长度的纳米纤维传感器具有更高的灵敏度。
因此，在制备纳米纤维MEMS压力传感器时，应选择适当的纳米纤维尺寸以获得所需的灵敏度。
其次，纳米纤维MEMS压力传感器的稳定性也是其性能研究的重点之一。
传感器在长期使用过程中，其性能是否保持稳定是一个关键问题。
研究发现，纳米纤维的材料和结构对传感器的稳定性有重要影响。
例如，采用具有较高化学稳定性和机械稳定性的纳米纤维材料，可以提高传感器的稳定性。
此外，合理设计纳米纤维的结构，如增加悬臂梁的宽度和厚度，也可以改善传感器的稳定性。
此外，纳米纤维MEMS压力传感器的线性度和重复性也是性能研究的重要内容。
线性度指的是传感器输出信号与输入信号之间的直线关系程度，而重复性则是指传感器在多次测量中输出信号的一致性。
研究发现，纳米纤维的尺寸和材料特性对传感器的线性度和重复性有显著影响。
选择合适的纳米纤维尺寸和材料，如增加纳米纤维的直径和使用具有一致性的纳米纤维材料，可以提高传感器的线性度和重复性。
综上所述，纳米纤维MEMS压力传感器的性能研究对于了解其性能特点、改善传感器性能以及推动其应用具有重要意义。
通过对其灵敏度、稳定性、线性度和重复性等性能的探究，可以为纳米纤维MEMS压力传感器的进一步发展和应用提供理论依据和技术支持。
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》范文
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，柔性电子设备在众多领域得到了广泛的应用。
其中，柔性压力传感器作为柔性电子设备的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到设备的整体性能。
近年来，电容式柔性压力传感器因其高灵敏度、快速响应和良好的稳定性受到了广泛关注。
本文将重点研究基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜介电层的电容式柔性压力传感器，探讨其制备工艺、性能及潜在应用。
二、PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器制备工艺1. 材料选择制备电容式柔性压力传感器的主要材料包括柔性基底、电极和介电层。
其中，PDMS薄膜因其优良的绝缘性、柔韧性和化学稳定性，常被用作介电层。
此外，还需选择导电性能良好的电极材料。
2. 制备工艺（1）制备PDMS薄膜：将PDMS原料按一定比例混合，去除气泡后涂布在柔性基底上，经过烘烤、固化等工艺，形成均匀、稳定的PDMS薄膜。
（2）制备电极：在PDMS薄膜上印刷或蒸镀导电材料，形成电极。
电极的形状、大小和分布对传感器的性能有着重要影响。
（3）组装：将两个带有电极的PDMS薄膜相互叠加，形成电容式结构。
通过改变两电极之间的距离和重叠面积，可以调节传感器的灵敏度和响应速度。
三、传感器性能研究1. 灵敏度灵敏度是衡量压力传感器性能的重要指标。
本文通过实验研究了基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器的灵敏度。
实验结果表明，传感器的灵敏度随着压力的增大而提高，且具有较好的线性关系。
此外，传感器的灵敏度还受到电极材料、电极形状和尺寸等因素的影响。
2. 稳定性传感器的稳定性是衡量其性能的另一个重要指标。
本文通过长时间的压力测试和温度循环测试，研究了传感器的稳定性。
实验结果表明，基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器具有良好的稳定性，能够在较宽的温度范围内正常工作。
3. 响应速度响应速度是衡量传感器反应速度的重要指标。
本文通过实验研究了传感器的响应速度，发现传感器的响应速度受到电极材料、电极形状和介电层厚度等因素的影响。
电容式柔性压力传感器性能影响因素研究
ｄ ｉｆｅｒｅｎｔ ｐａｃｋａｇ ｉｎｇ ｗａｙｓ
３．２ 电极 材 料对 传 感器 性 能 的影 响 图 ５是 ３种不 同导电材料制备的传感器特 ｌ生曲线。
特 性 曲线 比较 分 散 （图 ４ａ），相 同 压 力 下 多 次 测 量
层，系统 的研 究了传感器不 同封装方法、电极材料 以及介 电层对柔性压力传 感器性 能的影响。研 究结果表 明：采用
ＰＤＭＳ自封装 方法制备 的柔性压力传感器灵敏度及稳定性 均优 于胶黏剂封装方法所得器件 。ＡｇＮＷｓ为 电极材料 的柔性
压力传 感器 灵敏度 明显高于 ＡｇＮＰｓ及 ＳＣＮＴｓ为电极材料 的器件 。通过 电极微观形 貌分析推断 ，相对疏松、无规的电极
２ｐＦ。这 表 明 ＰＤＭＳ自封 装 传 感 器 相 对 于胶 黏 剂 封
可穿戴 电子设备 、智 能家居 、人体体征监 测等 。本文设计并制备 了具有“三明治夹心”结构 的电容式柔性压 力传感器 ，并
对其性 能影响 因素进行 了研究。该传 感器 以聚二 甲基硅氧烷 （ＰＤＭＳ）为柔性衬底 ，分别采用银 纳米线（ＡｇＮＷｓ）、银 纳米颗
粒（ＡｇＮＰｓ）、单壁碳纳米管 （ＳＣＮＴｓ）为 电极材料 ，聚酰亚胺（ＰＩ）、聚对苯 二甲酸乙二醇 酯（ＰＥＴ）和聚 乙烯（ＰＥ）薄膜为介 电
信 息 记 录材 料 ２０１５年 第 １６卷 第 ５期
电容式柔性压 力传 感器性能影 响因素研究
翟庆彬，莫黎昕 ，杨 威，朱冬严，陈鑫灿，耿 璐 ，李路海
（北京 印刷 学院 北京 市印刷 电子工程技 术研 究 中心 ，北京 ，１０２６００）
仿生微结构柔性压阻传感器设计及其性能研究
仿生微结构柔性压阻传感器设计及其性能研究摘要：本文设计了一种基于仿生微结构的柔性压阻传感器。
传感器主要由压阻材料、仿生微结构膜和导电元件组成。
仿生微结构膜模仿了人体皮肤的微观结构，增加了传感器的接触面积和感受能力。
通过实验对传感器性能进行了测试，结果表明，传感器具有高灵敏度、高稳定性和快速响应的特点。
该传感器可以广泛应用于医疗、机器人、智能家居等领域。
关键词：仿生微结构、柔性压阻传感器、灵敏度、稳定性、接触面积、响应速度1.引言柔性压阻传感器具有重量轻、柔软舒适、使用方便等优点，在医疗、机器人、智能家居等领域得到了广泛应用。
传统的柔性压阻传感器由于没有足够的接触面积和感受能力，容易发生损坏和测量误差。
为解决这一问题，本文设计了一种基于仿生微结构的柔性压阻传感器，模仿了人体皮肤的微观结构，增加了传感器的接触面积和感受能力。
2.传感器设计本文设计的仿生微结构柔性压阻传感器主要由压阻材料、仿生微结构膜和导电元件组成。
压阻材料为敏感元件，仿生微结构膜用于增加传感器的接触面积和感受能力，导电元件用于传递信号。
2.1 压阻材料选择本文选用了敏感性能较好的聚合物压阻材料。
该材料弹性好、韧性强、抗压性能稳定。
在压力作用下，该材料的电阻值发生变化，可以实现对压力的测量。
2.2 仿生微结构膜设计仿生微结构膜模仿了人体皮肤的微观结构。
该膜的表面采用了弯曲的纹理结构，增加了传感器的接触面积和感受能力。
传感器的底部采用了圆形结构，使得传感器的反应更加灵敏。
2.3 导电元件选择本文选用了银丝作为导电元件，银丝电性好、导电能力强、抗氧化性强。
银丝用于将压力传递到压阻材料中，同时将压阻材料的电信号输出到外部电路中。
3. 性能测试本文对设计的仿生微结构柔性压阻传感器进行性能测试。
测试结果表明，传感器具有高灵敏度、高稳定性和快速响应的特点。
对于不同的施加压力，传感器可以实现不同程度的电信号输出。
传感器的输出信号与压力之间呈现线性关系，并且具有良好的稳定性和重复性。
微纳制造技术在传感器领域的应用
微纳制造技术在传感器领域的应用随着科技的发展，微纳制造技术成为了一种热门的研究方向。
微纳制造技术是指制造尺寸在微米至纳米级别的电子元器件、机械元器件和生物元器件的技术，其工艺精度和设备精度要求非常高。
其中，微纳制造技术在传感器领域的应用越来越广泛。
一、微纳制造技术在传感器领域的基础研究在传感器领域，微纳制造技术主要用于制造微型传感器和纳米传感器。
微型传感器是指尺寸在毫米至微米级别、用于检测温度、湿度、压力、流量等物理量、化学物质及生物分子的传感器。
纳米传感器是指尺寸在纳米级别、具有高灵敏度、高分辨率、高特异性的传感器。
目前，微纳制造技术在传感器领域的研究主要集中在以下几个方面：1.微米级传感器的制备工艺研究微米级传感器（MSP）是基于微机电系统（MEMS）技术制备的。
MEMS技术是利用微观加工工艺将微机械结构和电子电路集成在一起，形成微型机电系统。
MSP主要通过微制造技术制备出微小机械结构，再将传感器元件、信号采集电路等组装在微小机械结构上。
目前，MSP已广泛应用于温度、湿度、压力、流量等各个行业领域。
2.微纳力传感器的制备和性能研究微纳力传感器是指尺寸在微米至纳米级别的传感器，主要用于测量微小力、摩擦力等微小的物理力学量。
微纳力传感器是一种高灵敏度、高分辨率、高特异性的传感器。
目前，微纳力传感器已广泛应用于生物医学领域、机械领域、环境保护领域等。
3.纳米级传感器的制备和应用研究纳米级传感器是指尺寸在纳米级别、特征尺寸小于100纳米的传感器。
纳米级传感器的制备需要特殊的制备工艺，例如原子层沉积、分子束外延、控制生长等。
纳米传感器具有高灵敏度、高分辨率、高特异性等优点，可以应用于检测生物分子、单分子等。
二、微纳制造技术在传感器领域的应用微纳制造技术在传感器领域的应用已经具有广泛的应用前景。
在工业领域，微纳制造技术可以应用于制造高精度、高灵敏度、高可靠性的传感器，从而提高工业生产的效率和质量。
在医学领域，微纳制造技术可以用于制备小型医疗设备和生物传感器，从而提高医疗检测的精度和速度。
微纳加工技术对MEMS器件性能的影响
微纳加工技术对MEMS器件性能的影响微纳加工技术是一种具有广泛应用的技术，可以制造微小尺寸的器件。
在微电子机械系统（MEMS）领域，微纳加工技术发挥着重要的作用。
通过微纳加工，可以制造出高精度、高灵敏度、高稳定性的MEMS器件，满足不同领域的需求。
本文将深入探讨微纳加工技术对MEMS器件性能的影响。
一、微纳加工技术的发展历程微纳加工技术的发展历程可以追溯到20世纪70年代。
当时，从事微电子研究的学者开始尝试使用化学湿法刻蚀技术进行微型芯片的制造。
在此基础上，出现了光刻、电子束曝光、离子束刻蚀等微纳加工技术，使得微米级尺寸的器件制造成为可能。
近年来，随着纳米技术的快速发展，微纳加工技术也得到了迅速发展，能够制造出更小、更精密、更复杂的器件。
二、微纳加工技术在MEMS器件制造中的应用微纳加工技术在MEMS器件制造中应用广泛，包括传感器、执行器、光电子器件等各种类型的MEMS器件。
下面以传感器为例，介绍微纳加工技术在MEMS器件制造中的应用。
传感器是一种将物理量转换成电信号输出的器件。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。
通过微纳加工技术，可以制造出高精度、高灵敏度的传感器，提高传感器的测量精度和响应速度。
例如，压力传感器可以通过微纳加工制造出细小的弹性体构成的微纳结构，当外部施加压力时，微压力传感器的弹性体受压，其阻尼会发生变化，从而产生电信号输出，实现对压力变化的测量。
同时，利用微纳加工技术还可以制造出微小结构的加速度传感器。
加速度传感器是一种测量加速度的器件，其工作原理就是通过弹性体的变形来测量物体的加速度。
微纳加工技术可以制造出弹性体非常小的加速度计，因此具有快速响应、灵敏度高等特点，可以使用于体积小、重量轻的设备和系统中。
三、微纳加工技术对MEMS器件性能的影响微纳加工技术对MEMS器件性能的影响主要表现在以下方面：1. 应力影响在MEMS器件制造过程中，由于材料本身的性质，以及微纳加工技术的限制，器件在制造过程中会受到应力的影响。
基于微纳加工技术的新型传感器研究
基于微纳加工技术的新型传感器研究当前，随着人们对生活品质的追求与需求不断提高，新型传感器的研究和应用也越来越受到人们的关注。
基于微纳加工技术的新型传感器，由于具有体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等优点，被广泛应用于医疗诊断、环境监测、智能家居等领域。
一、微纳加工技术简介微纳加工技术是一种高精度、高效率的制造技术，主要应用于制造微电子器件和微机械系统。
它可以将半导体材料、各种金属和陶瓷材料等高精度加工成微米或纳米级别的结构，其加工工艺包括光刻、薄膜成型、等离子体刻蚀、离子注入、微流控等多个领域，其中以光刻技术最为常用。
二、基于微纳加工技术的新型传感器种类1.微机械压力传感器微机械压力传感器是一种基于微机械制造工艺制作的压力传感器。
其结构简单、响应迅速、精度高，可以测量液体、气体和蒸汽等介质的压力值。
微机械压力传感器除可用于测试工业领域，还广泛应用于医疗诊断、汽车安全等领域。
2.微型光纤传感器微型光纤传感器是由微型结构的光纤和传感器组成的一种保护性装置。
它通常是用光纤传输信号的方式，来检测温度、油压、流量等多种物理量。
微型光纤传感器主要具有精度、稳定性、实时性高等特点，并且可以直接嵌入设备上，同时也能把数据通过无线传输到远程端。
3.微型电容传感器微型电容传感器由于其机械性能优异和微米级别的尺寸，被广泛应用于压力、转速、加速度、磁场和流量的测量中。
微型电容传感器的制备工艺较为复杂，需要耐高温的材料、MEMS器件和光刻技术等多种技术支持。
三、基于微纳加工技术的新型传感器的未来发展随着微型制造技术的不断发展，基于微纳加工技术的新型传感器将具有更高的性能和更广泛的应用领域。
未来的新型传感器将着重在功能的多样性、自适应性、智能化等方面进行探索。
在医疗诊断、智能家居、安防领域，新型传感器将发挥更为重要的作用，实现物联网和智能控制技术的进一步发展。
总之，基于微纳加工技术的新型传感器是未来传感技术的发展方向。
尽管制备工艺较为复杂，但其具有优异的性能和灵活性，在医疗、环保、智能家居等领域都有广泛的应用前景。
柔性电子传感器的制备及应用研究
柔性电子传感器的制备及应用研究随着科技的不断发展，传感器已经逐渐成为了生产和生活中不可或缺的一部分。
传感器的应用领域也在不断扩大，远远不再局限于日常生活中的温湿度、光线、声音等常规检测。
在这个领域中，柔性电子传感器成为了一个非常有前途和发展潜力的方向。
本文将主要讲述柔性电子传感器的制备和应用研究。
一、柔性电子传感器的定义和特性柔性电子传感器的定义是指：采用微纳技术和材料科学的方法，将传感器的元器件材料制成超薄、可曲折的材料，制成具有力学韧性和柔性的传感器器件。
它与传统的电子元件有所不同，传统的电子元件是由僵硬的硅制成的，不能弯曲，也不能被安置在拐角处。
与之相比，柔性电子传感器可以在数百微米的基础上制成，有很强的柔性和可撤销性，不仅可以用于曲线表面，也可以用于各种布料等柔性材料之中。
由于如此特殊的特征，柔性电子传感器可以制成各种奇怪的形状，比如扭曲、卷曲等等，可以被安置在人体弯曲面处，同时还能保持其稳定性，极大地增强了传感器的可用性。
二、柔性电子传感器的制备技术及方法如何将柔性电子传感器的制备技术及方法应用到实际的生产中呢？1、材料的选择和制备首先是要确定传感器所需要的材料，有些材料选择性比较高，如铜等金属，因为金属对电信号响应性强。
经过一系列的制备工序，比如蒸发、沉积、刻蚀等等，就可以制成所需要的薄膜；如果是纳米材料，就可以采用化学方法，通过在表面上修饰化学官能团，达到所需的感应效果。
2、器件的制备接下来就需要用到其中的器件，比如压力传感器、光学传感器、声学传感器等等。
而其中最常用的是压力传感器，它采用铜箔和聚乙烯薄膜组成的弯曲结构，通过角度的变化来控制其电阻的变化，这样就可以实现对压力信号的精确测量。
而其他的传感器技术也在不断的发展之中，比如利用碳纳米管制作的光学传感器技术，能够比传统的光学传感器技术轻便、灵敏且更加稳定等等。
3、制备过程的优化最后一步骤就是制备过程的优化，要根据实际的生产状况，调整所需的参数，比如温度、时间等等，以优化出更加精准、高效的制备工艺，同时也保证了生产过程中的稳定性与可控性。
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》范文
《基于PDMS薄膜介电层电容式柔性压力传感器的研究》篇一一、引言随着物联网和智能穿戴设备的飞速发展，对高灵敏度、高可靠性及良好柔韧性的压力传感器需求日益增长。
电容式柔性压力传感器因具有高灵敏度、快速响应、结构简单等优点，逐渐成为研究热点。
本文将探讨一种基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜介电层的电容式柔性压力传感器，对其结构、性能及潜在应用进行深入研究。
二、材料与结构PDMS薄膜因其优异的绝缘性、柔韧性和化学稳定性，被广泛应用于柔性电子器件中。
本文所研究的电容式柔性压力传感器采用PDMS薄膜作为介电层，上下电极采用导电材料制备。
传感器结构简单，主要由PDMS薄膜、上下电极及基底等部分组成。
三、工作原理该电容式柔性压力传感器的工作原理基于电容器的原理。
当传感器受到压力作用时，PDMS薄膜发生形变，导致上下电极之间的距离发生变化，从而改变电容器的电容值。
通过测量电容值的变化，可以推算出所施加的压力大小。
此外，PDMS薄膜的柔韧性使得传感器能够适应各种曲面的压力测量。
四、性能分析1. 灵敏度：本文所研究的电容式柔性压力传感器具有较高的灵敏度，能够准确测量微小的压力变化。
2. 稳定性：PDMS薄膜的化学稳定性和机械稳定性使得传感器具有良好的长期稳定性。
3. 响应速度：传感器具有快速的响应速度，能够实时反映压力变化。
4. 柔韧性：由于采用PDMS薄膜作为介电层，传感器具有良好的柔韧性，可适应各种曲面的压力测量。
五、实验研究通过制备不同厚度的PDMS薄膜，探究其对传感器性能的影响。
实验结果表明，适当厚度的PDMS薄膜能够提高传感器的灵敏度和稳定性。
此外，还研究了传感器在不同环境下的性能表现，如温度、湿度等。
实验结果显示，该传感器在各种环境下均表现出良好的性能。
六、应用领域基于PDMS薄膜介电层的电容式柔性压力传感器具有广泛的应用前景。
在医疗健康领域，可用于监测生理信号，如脉搏、呼吸等；在智能穿戴设备中，可用于实现人机交互、姿势识别等功能；在工业领域，可用于监测设备的振动、压力等参数。
柔性力敏传感器研究与应用分析
柔性力敏传感器研究与应用分析作者：倪永康刘启发来源：《中国新通信》 2020年第17期倪永康刘启发南京邮电大学通信与信息工程学院【摘要】柔性力敏传感器相比传统硬件式传感器，具有灵活小巧和方便贴敷的特点，在智能化设备制造、医疗保障等领域，柔性传感器起到了十分重要的作用。
本文主要介绍了柔性传感器的原理、背景和发展。
【关键词】柔性压力传感器碳纳米材料微纳结构一、绪论1.1研究意义和背景近年来，随着医学测量、电子皮肤、生物力学等领域的进一步发展，柔性力敏型传感器的研究需求逐渐提高。
电子皮肤是指保鲜膜一样柔软轻薄，并具有一定弹性的电子器件。
皮肤是人体面积最大的感知器官，为个体提供环境中的信息。
通过手接触可以感知物体的软硬程度，这是因为皮肤内的生理压力传感器，能够通过与物体的接触来反馈信息。
电子皮肤的研究方向，是需要像人体皮肤带有柔韧性和感知能力，而且兼容人的生理情况。
目前医院内普遍使用的检测设备是通过检测人体各部位的生物电信号，进行病情诊断，比如通过绘制心电图、脑电图等。
柔性传感器的出现和使用使得医疗诊断有了全新的解决方案，并且正逐步被应用到健康检测设备中。
生活中孩子和老人的生理状况是人们日常所关心的。
2018年，有研究团队展示了基于石墨烯的可穿戴式皮肤传感器，调整传感器的基板刚度，可以检测不同年龄、锻炼前后的微小脉搏信号变化[1]。
柔性传感器一定程度上可以帮助人们了解他们的生理数据，保证老人和孩子的健康。
1.2柔性力传感器的分类根据传感器机理不同，柔性力传感器可以分为电容式、电阻式、电压式和场效应管四大类（1）电容式压力传感器典型的电容式传感器是由两个平行电极和介电层组合，形成传统的平行板电容。
通过利用电介质的电容易受外界压力影响的特性，将变化的电容值转换为易被检测的电信号。
这类传感器的优点在于成本低廉、构造简单、动态响应和灵敏度高以及恶劣环境条件下有较强适应性。
在医疗检测领域里，其高压敏特性和快速响应，使得能够高保真度测量人体桡动脉的波。
微纳米压力传感器的设计及应用研究
微纳米压力传感器的设计及应用研究一、引言微纳米技术的不断发展，提高了微纳米器件的精度和灵敏度，使得微纳米压力传感器日益成为研究的热点之一。
本文将针对微纳米压力传感器进行设计及应用研究，以期为相关领域的研究人员提供参考。
二、微纳米压力传感器的概述微纳米压力传感器是一种能够测量物体受力或压力大小的微型传感器。
其通常由微型材料制成，能够在微型系统中完成测量。
与传统的压力传感器相比，微纳米压力传感器具有高灵敏度、快速响应、低功耗等优点，也因此得到了广泛应用。
三、微纳米压力传感器的设计1. 压敏电阻的设计压敏电阻是微纳米压力传感器最常用的测量元件。
压敏电阻的灵敏度受到电阻层厚度、晶粒尺寸和荷载位置的影响。
在设计中需要根据所需的测量范围和精度来选择合适的压敏电阻材料和结构。
2. 微型气体扩散泵的设计微型气体扩散泵是将压电陶瓷驱动与微型加速器结合起来，将气体逐渐抽出的装置。
它可以从一个小的孔口抽出空气，对于测量空气压力具有很好的效果。
在设计中需要注意微型气体扩散泵的材料、结构和加速器的选择。
3. 微纳米压力传感器的封装设计微纳米压力传感器的封装设计需要考虑传感器与周围环境的隔离和保护。
合适的封装可以提高传感器的稳定性和可靠性。
在设计中需要考虑材料的选择和制造工艺。
四、微纳米压力传感器的应用研究微纳米压力传感器已经在多个领域中得到广泛应用。
1. 医学检测通过微纳米压力传感器可以测量血液和体液压力，用于疾病的诊断和治疗。
2. 工业自动化微纳米压力传感器可以用于工业自动化中的液体和气体压力测量，如汽车发动机的压力检测。
3. 气象学微纳米压力传感器可以测量风速、气压、温度等气象数据，可以用于气候预测和天气监测。
五、总结微纳米压力传感器具有高灵敏度、低功耗、快速响应等优点，已经在医学、工业和气象学等领域得到广泛应用。
在设计中需要考虑电阻结构、气体扩散泵和封装材料等因素，以提高传感器的性能和可靠性。
随着微纳米技术的不断发展，微纳米压力传感器将会有更广阔的应用前景。
基于PDMS微结构介质层的柔性电容式压力传感器
第62卷 第4期厦门大学学报(自然科学版)V o l .62 N o .4 2023年7月J o u r n a l o f X i a m e nU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )J u l .2023h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n d o i :10.6043/j.i s s n .0438-0479.202208046基于P D M S 微结构介质层的柔性电容式压力传感器李文望1,张 贺1,杨雨程1,谢昂达1,姜佳昕1,罗志伟1,郑高峰2,王 翔1*(1.厦门理工学院机械与汽车工程学院,精密驱动与传动福建省高校重点实验室,厦门市智能制造高端装备研究重点实验室,福建厦门361024;2.厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院,福建厦门361102)摘要:近年来,为了满足人工智能㊁物联网和可穿戴设备的发展需求,高灵敏度㊁低成本的柔性压力传感器的设计和制备引起了研究人员的广泛关注.本文以聚二甲基硅氧烷(P D M S )四棱柱微结构薄膜作为传感器的介质层,以银纳米线-聚对苯二甲酸乙二醇酯(A gN W -P E T )透明导电膜作为传感器的上下电极层,制备了一种具有 三明治 结构的柔性电容式压力传感器.采用压力装置以及电容采集装置对传感器的性能进行测试.测试结果表明,在0~0.18k P a 压强范围内,该传感器的灵敏度可达0.63k P a-1,并且具有较低的迟滞性,较快的响应时间和恢复时间,以及较好的重复性和稳定性,能检测到0.73P a 的微小压力.最后,展示了传感器在接触检测和接近感应中的应用.关键词:可穿戴设备;聚二甲基硅氧烷;微结构;电容式压力传感器;灵敏度;3D 打印中图分类号:T P 212 文献标志码:A 文章编号:0438-0479(2023)04-0525-08收稿日期:2022-08-31 录用日期:2023-02-25基金项目:国家自然科学基金(52275575);福建省自然科学基金(2022H 6036,2021J 011196);福建省中青年教师教育科研项目(J A T 220338);厦门理工学院科研攀登计划(X P D K T 20022)*通信作者:w x @x m u t .e d u .c n引文格式:李文望,张贺,杨雨程,等.基于P D M S 微结构介质层的柔性电容式压力传感器[J ].厦门大学学报(自然科学版),2023,62(4):525-532.C i t a t i o n :L IW W ,Z H A N G H ,Y A N G YC ,e t a l .F l e x i b l e c a pa c i t i v e p r e s s u r e s e n s o rb a s e do nP D M Sm ic r o s t r u c t u r ed ie l e c t r i c l a ye r [J ].JX i a m e nU n i vN a t S c i ,2023,62(4):525-532.(i nC h i n e s e ) 柔性压力传感器作为人工智能㊁物联网和可穿戴设备等技术的重要基础元件之一,已经成为当前相关领域的研究热点[1],并在健康监测[2]㊁智能假肢[3]和电子皮肤[4]等应用领域显示出了广阔的应用前景.根据不同的信号转换机制,目前主流的柔性压力传感器主要分为电容式[5]㊁摩擦电式[6]㊁压电式[7]和压阻式[8]四种类型,其中,电容式压力传感器因具有功耗低㊁灵敏度高㊁响应时间快㊁温度稳定性好等优点,在生物识别[9]㊁触控感知[10]等领域得到了广泛关注.传统柔性电容式压力传感器的结构类似于平行板电容器,主要由上下两层电极和中间的介质层组成[11];当外部压力施加于传感器时,介质层会发生变形,从而引起传感器电容值随着施加压力的变化而变化.聚二甲基硅氧烷(P D M S)具有优良的弹性㊁拉伸性㊁透明性和绝缘性,已成为柔性压力传感器最常用的介质层材料[12].然而,利用P D M S 平面薄膜制备的柔性压力传感器在非常小的压力下不能产生足够的变形,难以获得可检测的电容值变化,灵敏度相对较低.在介质层引入微结构是提高柔性压力传感器灵敏度的一个简单而有效的方法.研究人员制作了包括金字塔[13]㊁截断金字塔[14]㊁圆柱[15]等不同微结构的P D M S 薄膜,通过微结构在介质层内部形成空气间隙,能有效降低弹性阻力,增加受力状态下的形变量,从而诱发更大的电学信号响应.基于微结构化P D M S 介质层的柔性压力传感器已经在低压系统(<1k P a)中呈现出了较高的灵敏度.柔性压力传感器微结构介质层的低成本㊁大面积制备是其发展趋势和必然要求.在众多P D M S 微结构的制造方案中,最直接的方法是使用预制的模具将微结构图案转移到P D M S 薄膜.目前主要采用光刻技术[14]在硅片上制作不同的几何形状模具,然而它们需要昂贵而复杂的光刻和化学刻蚀工艺,对于低成本㊁大面积制造来说具有一定的挑战.此外,研究人员也探索了利用自然界中的花瓣[16]或植物叶片[17]作为模具制备P D M S 微结构介质层,这种方法虽然节省了成本,但其表面结构无法按需调控,且模具复用率低,不利于传感器批量化制备及应用性能提升.3D 打印技术目前已经被广泛应用于快速原型设计和模具制造,Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 在柔性压力传感器设计和制作领域也展现出较大的应用潜力,成为了替代光刻技术的一种便捷㊁经济和可扩展的微结构模具制造方案.本文采用光固化3D 打印模具制作的P D M S 四棱柱微结构薄膜作为介质层,银纳米线-聚对苯二甲酸乙二醇酯(A g NW -P E T )透明导电膜作为传感器的上下电极层,制备了一种具有 三明治 结构的柔性电容式压力传感器,并对其性能进行了测试.该传感器制备工艺简单㊁成本低㊁灵敏度高,在可穿戴设备㊁人机交互㊁机器人触觉等领域具有潜在的应用价值.1 传感器制备工艺(a )P D M S 微结构介质层制备流程示意图;(b )P D M S 微结构薄膜;(c )P D M S 微结构介质层正面S E M 图;(d )P D M S 微结构介质层截面S E M 图.图1 P D M S 微结构介质层的制备F i g .1P r e p a r a t i o n o f P D M Sm i c r o s t r u c t u r e d l a ye r s 1.1 P D M S 微结构介质层图1(a )为P D M S 四棱柱微结构介质层的制备流程示意图.四棱柱微结构模具使用普通商业光固化3D打印机(H A L O T -S K Y ,创想三维)打印,所用光敏树脂材料为标准刚性树脂(创想三维);模具打印完成后,采用乙醇清洗2m i n ,再紫外光二次固化(UW -02,创想三维)2m i n,以避免模具发生变形.模具中四棱柱微结构的总体尺寸为12m mˑ12m m ,棱高(槽深)为0.1m m ,棱宽(槽宽)为0.424m m ,斜边长为0.6m m.将P D M S (S y l g a r d184,D o w C o r n i n g )基本组分和固化剂以10ʒ1的质量比进行混合,搅拌均匀后置于真空干燥箱(D Z F -6020,精宏)中真空脱气以去除气泡.然后称取2克P D M S 混合溶液滴涂在清洁的模具上,再将其放入匀胶机(K W -4A ,中科院微电子所)中,以750r /m i n 的转速旋涂2s .旋涂完成后,先将样品在室温下静置10m i n ,再将样品放入80ħ的真空干燥箱中真空脱气并加热固化1h .最后,将P D M S 从模具上剥离,形成如图1(b )所示的P D M S 四棱柱微结构薄膜.通过扫描电子显微镜(S E M ,S i gm a 500,Z E I S S )对P D M S 微结构薄膜进行拍摄,获得的表面和截面图像分别如图1(c )和(d )所示.从S E M 图像中可以清晰地观察到凸起的四棱柱微结构,P D M S 微结构介质层总体厚度为1.25m m ,平均棱宽(槽宽)为420.7μm ,平均棱高(槽深)为125.4μm ,表面形貌较为光滑,四棱柱间具有良好的结构一致性.另一方面,与基于光刻工艺的硅模具相比,光固化3D 打印机受其加工原理及㊃625㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期李文望等:基于P D M S 微结构介质层的柔性电容式压力传感器h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 工艺限制,所制作的树脂模具的结构精度较低,因此P D M S 微结构与理想形状也存在一定的偏差,如图1(d)所示.四棱柱截面呈现梯形/波浪形,相邻两棱边连接过渡较为平滑,与理想的垂直结构存在一定差距.1.2 传感器封装图2(a )为柔性电容式压力传感器的整体结构示意图,其主要由封装层㊁电极层和介质层组成.封装层选用P E T 单面胶带,可对传感器结构进行保护;上下电极层选用A gN W -P E T 透明导电膜(厚度0.125m m ,方阻20Ω,透光率ȡ88%);介质层则为裁剪好的P D M S 四棱柱微结构薄膜.封装步骤如下:首先,使用铜箔胶带分别在两个A g NW -P E T 电极导电面的一端引出铜导线;然后,分别将两个A g NW -P E T 电极背面贴在两条P E T 单面胶带上;最后,将P D M S 薄膜和两个背面贴有P E T 单面胶带的A g NW -P E T 电极进行贴合,P D M S 四棱柱微结构薄膜夹在两个A gNW -P E T 电极之间,形成 三明治 结构.封装好的柔性压力传感器如图2(b)所示,该传感器具有较好的机械柔性,可以进行多次弯折(图2(c ))㊁扭曲(图2(d ))而不影响传感性能.(a )传感器整体结构示意图;(b )传感器实物图;(c )传感器弯折后的状态图;(d)传感器扭曲后的状态图.图2 传感器整体结构设计与组装F i g .2S e n s o r o v e r a l l s t r u c t u r e d e s i g n a n d a s s e m b l y2 传感器性能测试2.1 测试方法采用L C R 数字电桥(T H 2832,同惠电子)测量传感器的电容,进而得到传感器的各项性能,包括灵敏度㊁迟滞性㊁重复性㊁稳定性㊁响应时间和压力检测限等.测试过程中,首先将待测的柔性压力传感器放在测试平台上,然后将L C R 数字电桥的两个测试端分别连接到传感器的两个铜导线上,实时检测传感器表面被施加不同的压力时的电容值.L C R 数字电桥的测试参数设置为:测试电位1V ,偏置电压为0V ,测试频率200k H z ,测试速度中速(采样频率1/83m s -1).对传感器进行灵敏度测试时,将砝码作为压力装置.为了保证传感器表面能够受到均匀的压力,在放置砝码前预先将一个质量为0.6g 的圆形垫片置于传感器表面.圆形垫片直径为20m m ,传感器与圆形垫片的接触面积为12m mˑ12m m ,计算压强时,受力有效面积为接触面积144m m 2.测试过程中,传感器的应力状态分别为:空载(0g )㊁在圆形垫片上添加1,2,5,10,20,50,100和200g 砝码,即对应的压强测试范围为0~13.93k P a .2.2 结果与分析图3为柔性电容式压力传感器传感机制示意图.图3 柔性电容式压力传感器传感机制示意图F i g .3S e n s i n g m e c h a n i s mo f f l e x i b l e c a p a c i t i v e pr e s s u r e s e n s o r 当未对传感器施加外部负载时,传感器具有特定的初始电容C 0.受到外部压力后,传感器的介质层厚度从d 0减小到d ,其电容值从C 0增加到C ,并有:C =εA /d =ε0εr A /d ,(1)式中,ε为有效介电常数,A 为两个电极板的相对面积,ε0为真空介电常数,εr 为相对介电常数.P D M S 薄膜表面四棱柱微结构的引入降低了传感器介质层的杨氏弹性模量.与平面薄膜相比,具有㊃725㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 四棱柱微结构的介质层在相同的外部压力作用下会导致更多的应力接触和应变集中,因而更容易被压缩而产生较大的形变.同时,传感器在被外部压力压缩变形的过程中,介质层中所含的空隙逐渐减少,P D M S 与空气的体积比逐渐增大,导致介质层的相对介电常数εr 也随之增加.因此,P D M S 微结构柔性电容传感器的电容是关于压强的分段函数:当P D M S 介质层中的空气体积未达到最小极限时,传感器电容在介质层厚度d 减小和相对介电常数εr 增大的共同作用下,传感器电容随压强的变化具有更大的变化率;当P D M S 介质层中的空气体积达到最小极限后,εr 不再增加,传感器的电容变化只由介质层的厚度变化决定,此时传感器的电容随压强的变化率减小.传感器的灵敏度是判定其精度和有效性的一个重要指标[18],其计算公式为S =ΔC /C 0ΔP =(C -C 0)/C 0ΔP,(2)式中,S 为灵敏度,ΔC 为施加压力后传感器的电容变化量,ΔP 为压强变化量.图4为柔性压力传感器的灵敏度测试曲线.测试结果表明:与基于P D M S 平面介质层的电容式压力传感器相比,在相同外部压力加载下,基于P D M S 四棱柱微结构介质层的电容式压力传感器的电容变化率更大,灵敏度更高.基于P D M S 微结构介质层的传感器的初始电容值C 0为5.84p F ,在0~0.18k P a 压强范围内,其灵敏度为0.63k P a -1;在0.18~13.93k P a 压强范围内,其灵敏度为0.02k P a-1,这是由于微结构形变引起的εr 变化达到极限,传感器电容响应逐渐趋于饱和,电容值随压强的变化率减少,因此灵敏度降低.商业光固化3D 打印倒模的方法制备P D M S微结图4 传感器灵敏度测试曲线F i g .4S e n s o r s e n s i t i v i t yt e s t c u r v e 构工艺简单㊁成本低㊁可大规模生产.微结构类型㊁尺寸㊁材料等对于调整电容式压力传感器的灵敏度具有非常重要的作用.本文与已有文献所报道的柔性电容式压力传感器[19-22]进行比较,如表1所示.显然,微结构的引入使P D M S 介质层对压力的感知更敏感,但同时也因抗压强度的下降而使压强测量范围减小,因此,基于P D M S 的压力传感器的压强测量范围和灵敏度往往是两个相互制约的参数,如文献[19-22],灵敏度越高,压强测量范围越小.相比之下,本文所制备的传感器的压强测量范围比文献[20,22]小0.5~1个数量级,但灵敏度更高,说明本文所制备的传感器在小量程压强测量范围内具有一定的优势,适用于小量程高灵敏度的应用场合.表1 基于P D M S 的柔性电容式压力传感器的灵敏度对比T a b .1 S e n s i t i v i t y c o m p a r i s o n o f f l e x i b l e c a pa c i t i v e p r e s s u r e s e n s o r sb a s e d o nP D M S 电极介质层压强测量范围/k P a 灵敏度/k P a -1来源I T O /P E T P D M S 复合微球0~150.124文献[19]A u /P E T P D M S 倾斜微柱0~1.50.42文献[20]C u P D M S 0~9450.0019文献[21]T i /A uP D M S 微金字塔0~0.750.16文献[22]A g N W -P E T P D M S 微四棱柱0~0.180.63本文注:I T O 为氧化铟锡.除灵敏度外,迟滞性㊁重复性㊁稳定性㊁响应时间和压力检测限也是表征电容式压力传感器性能的重要指标.本文进一步对这些参数进行测量,结果如图5所示.传感器的迟滞性是指在正㊁反两个方向上,传感器的输入-输出特征曲线的不一致性,通常由加载曲线和卸载曲线上对应电容值之间的最大差值ΔC m a x 来判定.P D M S 介质层材料的弹性滞后特性会引起卸载时的电容值大于相同压力下加载时的电容值.经测试,本传感器的ΔC m a x 为0.13p F ,与此时传感器的电容值相比,ΔC m a x /C <0.02,因此迟滞误差较小,如图5(a )所示.传感器的耐弯折性测试如图5(b)所示,反映了柔性传感器的耐久性.将传感器如图2(c )所示弯折100次后,重新测试其灵敏度.从测试结果可以看出,在相同输入条件下,弯折前后传感器的电容变化率未发生㊃825㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期李文望等:基于P D M S 微结构介质层的柔性电容式压力传感器h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .cn (a )迟滞性;(b )耐弯折性;(c )稳定性;(d )响应特性;(e )响应时间;(f )恢复时间;(g)压力检测限.图5 传感器性能测试曲线F i g.5S e n s o r p e r f o r m a n c e t e s t c u r v e s 显著变化,表明其结构具有较好的耐弯折性.传感器的稳定性是检验传感器在一定时间范围内是否稳定工作的重要指标.为了测试传感器的稳定性,分别对传感器按一定次序施加13.9,6.9和3.5k P a 三种不同大小的压强并持续一段时间,从图5(c )中可以看出,传感器能够快速检测不同的压强,稳定性较好.图5(d)是传感器的响应特性曲线.在对传感器加载和卸载压力时,传感器无法立即作出反应,通常有一个延迟时间,即响应时间和恢复时间.为了测试传感器的响应时间和恢复时间,将一个200g 的砝码置于传感器的正上方,然后迅速释放,待电容值稳定后,移走砝码,即在传感器的正上方加载和卸载一个13.9k P a大小的压强.由于四棱柱顶部有方形平台,当薄膜表面的四棱柱受力而发生变形时,四棱柱顶部的方形平台将在变形的上部电极上产生更大的作用力,使变形㊃925㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 的四棱柱更快地恢复到未变形的状态,这有助于传感器实现更快的反应时间,并使传感器对连续的加载和卸载作出快速反应.从图5(e )和图5(f)中可以看出,传感器的响应时间T 1为166m s ;传感器的恢复时间T 2为249m s .为了测试传感器的最小压力检测限,分别选用单片质量为3.5m g (0.35P a )和7.3m g (0.73P a )的正方形小纸片放置于传感器上方.当放置3.5m g 的纸片时,传感器电容值增加较小,难以实现有效测量;放置7.3m g 纸片时,可测得较为稳定且明显的电容变化,ΔC /C 0为0.0009.因此,传感器最小可测得0.73P a (为了简化计算,此处重力加速度取10m /s 2)的微小压力.依次在传感器上方逐渐增加单片质量7.3m g的正方形小纸片的数量(1~13片),可测得传感器输出的电容值的变化如图5(g )所示,证实了传感器具有较高的压力探测敏感度.(a )接触检测;(b )接近传感测试.图6 传感器的应用测试F i g .6A p p l i c a t i o n s o f c a pa c i t i v e s e n s o r P D M S 介质层表面的四棱柱微结构对传感器的性能具有重要影响.在相同尺寸的传感器中,若相邻两个四棱柱的间距越大,介质层表面四棱柱的数量就越少;同样,四棱柱越高,P D M S 支撑层的厚度就越小.此时,当传感器受到相同的外部压力加载时,传感器介质层就更容易被压缩,灵敏度就越高.然而,介质层表面四棱柱数量的减少会使得微结构与上电极层的接触面积减小,往往会导致传感器感测范围的下降;而四棱柱高度的增加则往往会增加传感器的响应时间.因此,为了实现更高灵敏度㊁宽感测范围㊁快响应速度的电容式压力传感器的制备,还需进一步深入分析微结构几何形状如尺寸㊁间距㊁排列等对介质层结构变形㊁力学敏感性及传感特性的影响.3 传感器的应用本文制作的柔性传感器具有高灵敏度㊁快速响应等特点,可以实时监测动态压力的变化,实现多种场合下的信号测量.图6为该柔性压力传感器接触压力检测的重要应用.如图6(a )所示,该传感器可用于监测手指的按压活动.测试时,将传感器贴于测试者左手手背,右手手指对传感器进行轻触.电容值在手指按压到传感器时快速增大,移开手指后快速恢复至初始值.以摩尔斯㊃035㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第4期李文望等:基于P D M S 微结构介质层的柔性电容式压力传感器h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 电码传输为例,利用手指对传感器施加点按和长按以传输标准化长短信号序列,即 点 和 破折号 .由于传感器检测极限较低,手指自然轻触或放置即可获得明显信号,并能准确区分 点按 和 长按 两种状态,可准确获得如图所示 X M U T 的摩尔斯电码信号,动态响应快.此外,电容式压力传感器还可用于非压力状态下的接近传感检测,如图6(b )所示.当手指逐渐靠近电容式压力传感器时,相当于将第三个电极引入传感器.由于耦合电容的作用,传感器两个电极之间的电场发生偏移,使得传感器上下电极之间的电容C m 减小,手指和传感器上电极之间的耦合电容C s 增大.传感器的电容值会随着手指和传感器上电极之间的距离d 的减小而逐渐减小,且距离d 越小,传感器电容C m 的变化越明显.传统场合下人与设备之间的指令传输主要依靠接触(压力)传感和按钮,这种方式会引起机械损耗㊁病毒/细菌交叉感染(特别是在C O V I D -19流行期间)等风险,因此,电容式压力传感器有作为非接触开关的应用潜力.4 结 论本文使用光固化3D 打印的树脂作为模具,通过倒模工艺制造了表面具有四棱柱微结构的P D M S 弹性体薄膜;利用该薄膜作为介质层㊁A g NW -P E T 导电膜作为电极层,制备了 三明治 结构的柔性电容式压力传感器.P D M S 薄膜表面四棱柱微结构的引入降低了传感器介质层的杨氏弹性模量,且能形成局部的应力集中,使得介质层更易于快速产生较大形变,从而提升传感器的灵敏度和响应速度.该传感器灵敏度在0~0.18k P a 的压强范围内可达0.63k P a -1,同时具有较低的迟滞性㊁较快的响应时间(166m s)和恢复时间(249m s )㊁较好的重复稳定性,以及较低的压力检测限(0.73P a ).本文还展示了传感器在接触检测和接近感应中的应用,在可穿戴设备㊁机器人触觉㊁人机交互等领域具有的潜在应用价值.此外,本文所设计的柔性电容式压力传感器具有制造周期较短㊁成本低㊁性能较好的优点,也证实了3D 打印技术在传感器微结构模具制造方面具有较好的应用潜力.参考文献:[1] W A N GJ ,L I L W ,Z H A N GLS ,e t a l .F l e x i b l e c a pa c i t i v e p r e s s u r es e n s o r s w i t h m i c r o -pa t t e r n e d p o r o u sd i e l e c t r i c l a ye rf o r w e a r a b l e e l e c t r o n i c s [J ].J o u r n a l o fM i c r o m e c h a n i c s a n dM i c r o e ng i n e e r i n g,2022,32(3):034003.[2] G U O X Q ,M A L J ,W U W G ,e ta l .U l t r a -s e n s i t i v e f l e x i b l e p i e z o r e s i s t i v e p r e s s u r e s e n s o r p r e p a r e db y la s e r -a s s i s t e d c o p p e r t e m p l a t e f o r h e a l t h m o n i t o r i n g [J ].S e n s o r s a n dA c t u a t o r sA :P h y s i c a l ,2022,334:113325.[3] W U YZ ,L I U Y W ,Z H O U Y L ,e t a l .As k i n -i n s pi r e d t a c t i l e s e n s o r f o r s m a r t pr o s t h e t i c s [J ].S c i e n c eR o b o t i c s ,2018,3(22):e a a t 0429.[4] D O N G HF ,Z H A N GLB ,W UT ,e t a l .F l e x i b l e p r e s s u r es e n s o r w i t h h i g h s e n s i t i v i t y a n d f a s t r e s po n s e f o r e l e c t r o n i c s k i n u s i n g n e a r -f i e l d e l e c t r o h y d r o d y n a m i c d i r e c t w r i t i n g [J ].O r g a n i cE l e c t r o n i c s ,2021,89:106044.[5] Z H E N GR L ,W A N G Y Y ,Z H A N G Z X ,e ta l .H i gh s e n s i t i v i t y a n db r o a dd e t e c t i o nr a n g ef l e x i b l ec a pa c i t i v e pr e s s u r es e n s o rb a s e do nr G O c o t t o nf i b e rf o rh u m a n m o t i o nd e t e c t i o n [J ].S m a r t M a t e r i a l sa n d S t r u c t u r e s,2022,31(2):025019.[6] N I N GC ,C H E N G R W ,J I A N G Y ,e ta l .H e l i c a l f i b e rs t r a i ns e n s o r sb a s e do nt r i b o e l e c t r i cn a n o ge n e r a t o r sf o r s e l f -p o w e r e d h u m a n r e s p i r a t o r y m o n i t o r i ng [J ].A C S N a n o ,2022,16(2):2811-2821.[7] S I G N O R E M A ,R E S C I O G ,D E P A S C A L IC ,e ta l .F a b r i c a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f A l N -b a s e df l e x i b l ep i e z o e l e c t r i c p r e s s u r es e n s o r i n t e g r a t e d i n t oa n i m pl a n t a b l e a r t i f i c i a l p a n c r e a s [J ].S c i e n t i f i c R e po r t s ,2019,9(1):17130.[8] L A I C ,W U X ,H U A N G C ,e t a l .F a b r i c a t i o n a n d pe rf o r m a n c eo ff u l lt e x t i l e -b a s e df l e x i b l e p i e z o r e s i s t i v e pr e s s u r e s e n s o r [J ].J o u r n a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e :M a t e r i a l s i nE l e c t r o n i c s ,2022.33(8):4755-4763.[9] C H O U H H ,N G U Y E N A ,C H O R T O S A ,e ta l .Ac h a m e l e o n -i n s pi r e d s t r e t c h a b l e e l e c t r o n i c s k i n w i t h i n t e r a c t i v e c o l o u rc h a n g i n g c o n t r o l l e db y t a c t i l es e n s i n g[J ].N a t u r e C o m m u n i c a t i o n s ,2015,6:8011.[10] L E E B Y ,K I M J ,K I M H ,e ta l .L o w -c o s tf l e x i b l e pr e s s u r e s e n s o rb a s e do nd i e l e c t r i c e l a s t o m e r f i l m w i t h m i c r o -p o r e s [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s A :P h ys i c a l ,2016,240:103-109.[11] M A L Q ,S H U A I X T ,H U Y G ,e ta l .A h i g h l ys e n s i t i v e a n d f l e x i b l e c a p a c i t i v e pr e s s u r e s e n s o r b a s e d o n a m i c r o -a r r a y e d p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e d i e l e c t r i c l a y e r [J ].J o u r n a lo f M a t e r i a l sC h e m i s t r y C ,2018,6(48):13232-13240.[12] W A N G K Y ,O U Y A N G G M ,C H E N X Y ,e ta l .E n g i n e e r i n g el e c t r o a c t i v e d i e l e c t r i c e l a s t o m e r s f o r m i n i a t u r ee l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s d u c e r s [J ].P o l ym e r R e v i e w s ,2017,57(3):369-396.[13] R U T H S R A ,B E K E R L ,T R A N H ,e ta l .R a t i o n a l㊃135㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2023年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n d e s i g n o f c a p a c i t i v e p r e s s u r e s e n s o r s b a s e d o n p y r a m i d a l m i c r o s t r u c t u r e s f o r s p e c i a l i z e dm o n i t o r i n g o f b i o s i gn a l s [J ].A d v a n c e d F u n c t i o n a l M a t e r i a l s ,2020,30(29):1903100.[14] L I A N G G H ,W A N G Y C ,M E ID Q ,e ta l .F l e x i b l ec a p a c i t i v e t a c t i l es e n s o ra r r a y w i t ht r u n c a t ed p yr a m i d s a s d i e l e c t r i c l a ye rf o r t h r e e -a x i s f o r c em e a s u r e m e n t [J ].J o u r n a lo f M i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l S ys t e m s ,2015,24(5):1510-1519.[15] C A G A T A Y E ,K O H L E R P ,L U G L IP ,e ta l .F l e x i b l ec a pa c i t i v e t a c t i l e s e n s o r sb a s e d o nc a r b o n n a n o t u b e t h i n -f i l m s [J ].I E E E S e n s o r sJ o u r n a l ,2015,15(6):3225-3233.[16] W A NYB ,Q I UZG ,H U A N G J ,e t a l .E l e c t r o n i c s k i n s :n a t u r a l p l a n t m a t e r i a l sa s d i e l e c t r i cl a y e rf o rh i g h l ys e n s i t i v ef l e x i b l ee l e c t r o n i cs k i n [J ].S m a l l ,2018,14(35):1801657.[17] W A N GJN ,L I U Y Q ,Z H A N G Y L ,e t a l .P n e u m a t i c s m a r ts u r f a c e s w i t hr a p i d l y sw i t c h a b l ed o m i n a n ta n d l a t e n ts u p e r h y d r o p h o b i c i t y [J ].N P G A s i a M a t e r i a l s ,2018,10(2):e 470.[18] L I XP ,L I Y ,L I XF ,e t a l .H i g h l ys e n s i t i v e ,r e l i a b l e a n d f l e x i b l e p i e z o r e s i s t i v e p r e s s u r e s e n s o r s f e a t u r i n gp o l y u r e t h a n es p o n g ec o a t e d w i t h M X e n es h e e t s [J ].J o u r n a lo f C o l l o i d a n dI n t e r f a c e S c i e n c e ,2019,542:54-62.[19] J U N GY ,L E E W ,J U N GK ,e t a l .Ah i g h l ys e n s i t i v e a n d f l e x i b l ec a pa c i t i v e p r e s s u r es e n s o rb a s e do na p o r o u s t h r e e -d i m e n s i o n a lP D M S /m ic r o s p h e r e c o m p o s i t e [J ].P o l ym e r s ,2020,12(6):1412.[20] L U O Y S ,S H A O J Y ,C H E N S R ,e ta l .F l e x i b l e c a p a c i t i v e p r e s s u r e s e n s o r e n h a n c e d b y t i l t e dm i c r o pi l l a r a r r a y s [J ].A C SA p p l i e dM a t e r i a l s&I n t e r f a c e s ,2019,11(19):17796-17803.[21] L E I KF ,L E EKF ,L E EM Y .D e v e l o pm e n t o f a f l e x i b l e P D M Sc a pa c i t i v e p r e s s u r es e n s o rf o r p l a n t a r p r e s s u r e m e a s u r e m e n t [J ].M i c r o e l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ,2012,99:1-5.[22] T H O U T IE ,N A G A R A J U A ,C H A N D R A N A ,e ta l .T u n a b l e f l e x i b l e c a p a c i t i v e p r e s s u r e s e n s o r s u s i n ga r r a n g e m e n t o f p o l y d i m e t h y l s i l o x a n em i c r o -p yr a m i d s f o r b i o -s i g n a lm o n i t o r i n g [J ].S e n s o r sa n d A c t u a t o r s A :P h ys i c a l ,2020,314:112251.F l e x i b l e c a pa c i t i v e p r e s s u r e s e n s o rb a s e d o nP D M S m ic r o s t r u c t u r ed ie l e c t r i c l a ye r L IW e n w a n g 1,Z H A N G H e 1,Y A N GY u c h e n g 1,X I EA n gd a 1,J I A N GJ i a x i n 1,L U OZ h i we i 1,Z H E N GG a of e ng 2,W A N GX i a n g1*(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dA u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g ,X i a m e nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,K e y L a b o r a t o r y of P r e c i s i o nA c t u a t i o n a n dT r a n s m i s s i o n o f F u j i a nP r o v i n c eU n i v e r s i t y ,X i a m e nK e y L a b o r a t o r y o f I n t e l l ig e n tM a n u f a c t u r i n g E q u i pm e n t ,X i a m e n 361024,C h i n a ;2.P e n -T u n g S a h I n s t i t u t e o fM i c r o -N a n o S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,X i a m e nU n i v e r s i t y ,X i a m e n 361102,C h i n a )A b s t r a c t :I nr e c e n t y e a r s ,t h ed e s i g na n d t h e f a b r i c a t i o no f h i g h l y se n s i t i v e a n d l o w -c o s tf l e x i b l e p r e s s u r e s e n s o r s t h a tm e e t t h e d e v e l o p m e n t n e e d s o f a r t i f i c i a l i n t e l l ig e n c e ,i n t e r n e t o f thi n gs ,a n dw e a r a b l e d e v i c e s h a v e a t t r a c t e d c o n s i d e r a b l e r e s e a r c h a t t e n t i o n .I n t h i s p a p e r ,w e h a v e p r e p a r e d a s a n d w i c h s t r u c t u r e p r e s s u r es e n s o r b y u s i n g p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e (P D M S )t e t r a go n a l m i c r o s t r u c t u r e f i l mf a b r i c a t e d b y l i g h t -c u r i n g 3D p r i n t i n g m o l d a s t h e d i e l e c t r i c l a y e r a n d s i l v e r n a n o w i r e -p o l y e t h y l e n e t e r e ph t h a l a t e (A g N W s -P E T )t r a n s p a r e n t c o n d u c t i v e f i l ma s t h e u p p e r a n d l o w e r e l e c t r o d e l a ye r s .T h e p e rf o r m a n c e o f t h e s e n s o r i s t e s t e dw i t h a p r e s s u r e d e v i c e a n d a c a p a c i t a n c e a c q u i s i t i o n d e v i c e .T e s t r e s u l t s s h o wt h a t t h e s e n s i t i v i t y of t h e s e n s o r c a n r e a c h 0.63k P a -1i n t h e p r e s s u r e r a n g eo f0-0.18k P a .F u r t h e r m o r e ,t h es e n s o rs e c u r e sl o w h y s t e r e s i s ,f a s tr e s p o n s et i m ea n dr e c o v e r y t i m e ,a n dh i gh r e p e a t a b i l i t y a n d s t a b i l i t y .A l s o ,i t c a nr e a d i l y d e t e c t a s m a l l p r e s s u r eo f 0.73P a .F i n a l l y ,t h e a p p l i c a t i o no f t h e s e n s o r t oc o n t a c t d e t e c t i o n a n d p r o x i m i t y s e n s i n gi s d e m o n s t r a t e d .K e yw o r d s :w e a r a b l e d e v i c e ;P D M S ;m i c r o s t r u c t u r e ;c a p a c i t i v e p r e s s u r e s e n s o r ;s e n s i t i v i t y ;3D p r i n t i n g (责任编辑:任滢滢)㊃235㊃Copyright ©博看网. 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新型微纳米结构传感器的制备及其性能分析
新型微纳米结构传感器的制备及其性能分析随着科学技术的不断发展，传感器技术已经成为了现代化生产和检测领域中不可或缺的一部分。
传感器可以将信号转换为可读取的数据或信息，从而满足不同领域中的测量、监测和控制需求。
随着科学技术的不断进步，人们对于传感器技术的需求也越来越高，特别是对于微纳米结构传感器的研究。
本文将针对新型微纳米结构制备及其性能分析进行讨论。
一、微纳米结构传感器的制备微纳米结构传感器是最近几年发展起来的一种新型传感器，由于其在体积、质量和灵敏度等方面的优良特性，已经成为了国际上研究热点之一。
微纳米结构传感器主要由感受元件和信号处理电路两部分组成。
感受元件是传感器的核心部分，直接作用于被测量的物理量，将物理量转换为电信号。
感受元件的制备过程中，主要包括三个方面：物理制备、化学制备和光刻制备。
物理制备技术主要采用了常用的纳米复制、磁控溅射、化学蚀刻等方法，来制备出各种微纳米结构。
纳米复制法可以广泛应用于制备出各种具有不同形貌的结构体，例如：纳米线、纳米管、纳米球等。
而磁控溅射和化学蚀刻则可以制备出一些片状、三角、方形等形状的微纳米结构。
化学制备技术则利用化学反应提高材料的选择性、可控性和单分散性，从而制备出具有特定形貌和性能的微纳米结构。
例如，化学溶液制备法可以制备出具有表面电荷的纳米颗粒，从而通过电场对颗粒进行操控，制备出不同空间排列方式的微纳米材料。
光刻制备技术是另一种常用的微纳米结构制备技术，主要采用类似于集成电路制造的工艺，制作出具有亚微米级别的结构体。
其中以电子束光刻和X射线光刻技术最为常用。
二、微纳米结构传感器的性能分析微纳米结构传感器的最大特点就是其超高的灵敏度和快速的响应能力。
这主要来源于微纳米结构体在尺寸上的优势，其表面积大、比表面积极高，有利于与环境物质发生作用并产生变化。
因此，微纳米结构体可以实现对于极小、高灵敏度、宽测量范围的信号检测，被广泛应用于化学分析、生物医学监测、环境保护等领域。
微结构电容式柔性压力传感器的灵敏度预测方法及应用[发明专利]
![微结构电容式柔性压力传感器的灵敏度预测方法及应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/65f07da86429647d27284b73f242336c1fb9304c.png)
专利名称：微结构电容式柔性压力传感器的灵敏度预测方法及应用
专利类型：发明专利
发明人：颜黄苹,王子俊
申请号：CN202210064859.3
申请日：20220120
公开号：CN114486005A
公开日：
20220513
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及传感器技术领域，公开了微结构电容式柔性压力传感器的灵敏度预测方法及应用，微结构电容式柔性压力传感器包括上电极层、微结构介电层和下电极层，微结构介电层的上表面具有偶数的N阶矩阵分布的微结构，灵敏度预测方法通过在微结构介电层划分矩阵分布的大方块和小方块，并通过计算每个小方块的全局分布因素和局部分布因素对每个小方块所受的压强进行等效量化，之后通过每个小方块受到的压强计算整个微结构介电层的形变量，进而通过传感器的电容变化预测传感器的灵敏度，预测方法计算过程简单，准确率高，故有利于提高计算效率，且制备的经过优化后的传感器具有较高的灵敏度。
申请人：厦门大学,厦门大学深圳研究院
地址：361005 福建省厦门市思明区思明南路422号
国籍：CN
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基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器
㊀２０２０年㊀第５期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．５㊀收稿日期：２０１９－１０－１６基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器张㊀鹏，陈昱丞，张㊀建，李玉霞（山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛㊀２６６５９０）㊀㊀摘要：为了研究电容式传感器电极表面有微结构对自身灵敏度的影响，设计了一种基于双层微结构电极的电容式压力传感器，其以表面溅射有导电金属的带有金字塔微结构的ＰＤＭＳ薄膜作为上下层电极㊂该方法设计的传感器能够明显地提高传感器的性能，灵敏度可达０．３４ｋＰａ－１，是无微结构电极传感器灵敏度的１７倍，具有低的检测极限（最低为２０Ｐａ）㊁较快的响应时间（２００ｍｓ）和可靠的重复性㊂实验表明，该传感器能够实时快速地的检测外部压力的变化㊂关键词：柔性压力传感器；电容式传感器；微结构电极；金字塔阵列；聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）中图分类号：ＴＰ２１２㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０５－００１１－０３ＦｌｅｘｉｂｌｅＣａｐａｃｉｔｉｖｅＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＤｏｕｂｌｅＬａｙｅｒＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＺＨＡＮＧＰｅｎｇ，ＣＨＥＮＹｕ⁃ｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｉａｎ，ＬＩＹｕ⁃ｘｉａ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｕｒｆａｃｅ，ａｃａｐａｃｉｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｏｕｂｌｅ⁃ｌａｙｅｒｍｉｃｒｏ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅＰＤＭＳｔｈｉｎｆｉｌｍｗｉｔｈａｐｙｒａｍｉ⁃ｄａｌｍｉｃｒｏ⁃ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｍｅｔａｌｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｃａｎｒｅａｃｈ０．３４ｋＰａ－１，ｗｈｉｃｈｉｓ１７ｔｉｍｅｓｈｉｇｈ⁃ｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｏｕｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｗｉｔｈｌｏｗｄｅｔｅｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔ（ｍｉｎｉｍｕｍｔｏ２０Ｐａ），ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅ（２００ｍｓ）ａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒｃａｎｄｅｔｅｃｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｑｕｉｃｋｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ｐｙｒａｍｉｄａｒｒａｙ；ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ（ＰＤＭＳ）０㊀引言随着新材料和微纳米技术的发展，大量的柔性传感器被应用于机器人皮肤［１］㊁智能假肢［２］㊁可穿戴设备［３］等领域㊂目前传感器根据能量和信息转换方式可以分为以下几类：电容式［４－５］㊁电阻式［６－７］㊁压电式［８］㊂相比其他形式的传感器，电容式传感器具有结构简单㊁灵敏度高㊁性能稳定等特点，引起越来越多的学者对其进行关注和研究㊂当前，改善电容式性能的方法主要有以下两种㊂一种是在中间介电层表面增加微结构，降低介电层的杨氏模量，增加形变能力，从而提高传感器的灵敏度性能㊂另一种就是在中间介电层中添加纳米材料改变传感器的介电常数㊂Ｚ．Ｐ．Ｊｉ等利用ＭＥＭＳ技术在介电层表面引入了４种不同的微结构，仿真及实验得到了最优的灵敏度微结构，实现了机器人快速避障［９］㊂法国国家科学研究中心设计了一种利用复合泡沫材料和导电炭黑获得了超高灵敏度的电容式传感器，实现了对脉搏的检测［１０］㊂本文根据电容式传感器的基本原理，提出了一种基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器的设计方法㊂区别以往只在中间介电层进行改善性能的方式，在电极的表面引入金字塔阵列微结构㊂当传感器受到外部压力时，电极表面金字塔结构受力压缩，改变传感器电极之间的相对面积，从而改变传感器的电容变化量㊂测试结果表明：与电极表面不带微结构的传感器对比，该方法设计的传感器可以明显的提高器件的灵敏度㊂１㊀传感器的设计与制备１．１㊀设计原理电容式传感器总体结构为三明治结构，由上下两个电极板和中间的介电层组成㊂电容式传感器的电容值可表示为Ｃ＝Ａεｒε０ｄ（１）㊀㊀㊀㊀㊀１２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＭａｙ．２０２０㊀式中：Ａ为上下电极板间的相对面积；εｒ为相对介电常数；ε０为真空中的介电常数；ｄ为电极板之间的距离㊂由式（１）可知传感器电容值Ｃ受εｒ，ｄ，Ａ因素的影响㊂在本文中利用电极板表面增加微结构这一方法，增大传感器电极之间的相对面积Ａ，通过外界压力对电极板之间的相对面积的影响，提高传感器的灵敏度㊂１．２㊀传感器电极的制备微结构电极的制备流程图１所示㊂利用ＭＥＭＳ（微机电系统）工艺，在硅片基底上刻蚀出金字塔形状的凹槽备用㊂聚二甲基硅氧烷（ＰＤＭＳ）的主剂和固化剂以１０ʒ１的质量比进行配比，放入真空箱中抽真空２０ｍｉｎ，去除ＰＤＭＳ中的气泡形成预置体㊂将刻蚀好的硅片放置匀胶机上，倒入配好的ＰＤＭＳ预置体，旋转速度为３５０ｒａｄ／ｍｉｎ，时间为１００ｓ㊂将涂有ＰＤＭＳ的硅片基底放在８０ħ的真空烘箱中固化３ｈ后剥离获得带有金字塔微结构的ＰＤＭＳ薄膜㊂然后把制备好的ＰＤＭＳ薄膜放在小型金属溅射仪中溅射１５０ｓ，靶材为金（Ａｕ）㊂最后获得带有金字塔微结构的ＰＤＭＳ电极薄膜㊂图２是带有微结构的ＰＤＭＳ电极薄膜溅射金属前后的表面形貌ＳＥＭ图㊂同样按照制备流程图１的方法，在干净的玻璃片上固化没有微结构的ＰＤＭＳ薄膜㊂一部分溅射金属，另一部分作为电容式传感器的中间介电层㊂在这里说明一下为了改善ＰＤＭＳ表面的疏水性㊁易吸附物质性㊂将薄膜放入等氧离子清洗机进行处理，增加其与金属的吸附性㊂图１㊀传感器电极的制备过程图２㊀微结构电极溅射前后的表面ＳＥＭ图１．３㊀柔性压力传感器的制备将制备好的电极层和中间介电层裁剪成同样尺寸（３ｃｍˑ１ｃｍ），分别按照图３的形式完成三明治式的电容式柔性压力传感器的封装制备㊂图３（ａ）是有双层微结构电极，图３（ｂ）是有单层微结构电极，图３（ｃ）是无微结构电极㊂最后用导电胶带在传感器的两端用导电铜线引出㊂图４为双层微结构电极传感器的总装示意图㊂㊀㊀㊀（ａ）㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）㊀㊀（ｃ）图３㊀不同层数的微结构电极的封装示意图图４㊀双层微结构电极传感器的总装图２㊀传感器测试与分析２．１㊀传感器的测试测试系统如图５所示㊂压力加载设备采用ＺＱ－９９０Ａ推拉力计，测试设备采用型号为ＴＨ２８２６的ＬＣＲ表㊂将测试的传感器样品放到推拉力计的测试台上，传感器电极引出的铜线连接到ＬＣＲ测试表上㊂本次测试的测试频率为１ｋＨｚ，偏置电压为０，推拉力计的压力测试范围为０ ５ｋＰａ㊂２．２㊀结果与分析２．２．１㊀不同层数的微结构电极对灵敏度的影响为了更好地看出微结构对传感器性能的影响，分别对双层㊁单层和无结构的电极传感器进行测试㊂图６为３种传感器的电容变化和压力的关系㊂电容式传感器的灵敏度Ｓ定义为㊀㊀㊀㊀㊀第５期张鹏等：基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器１３㊀㊀图５㊀柔性电容式传感器的测试装置Ｓ＝δ（ΔＣ／Ｃ０）δｐ（２）式中：Ｃ０为电容初始值；ΔＣ＝Ｃ－Ｃ０；ｐ为相对压力变化，ｋＰａ㊂图６㊀不同层数微结构电极传感器压力下的电容变化曲线由图６可以看出，具有双层微结构电极的传感器灵敏度最高为Ｓ１＝０．３４ｋＰａ－１，单层微结构电极的传感器灵敏度次之为Ｓ２＝０．０６４ｋＰａ－１，无微结构电极的传感器灵敏度最小为Ｓ３＝０．０２ｋＰａ－１，双层微结构传感器的灵敏度是无微结构电极传感器的１７倍㊂结果表明电极表面增加金字塔微结构的传感器能够显著地改善传感器的灵敏度，双层结构能够有效地增大传感器的表面积，增大电容变化量达到改善传感器性能的目的，这与本文的设计原理是一致的㊂２．２．２㊀基于双层微结构电极传感器的性能测试压力传感器不仅具有高灵敏度，还具有能够检测不同压强的动态响应能力㊁快速的响应时间以及可靠的重复性等优点㊂首先将不同质量的砝码加载到传感器表面，对传感器在不同压强下（２０Ｐａ㊁１００Ｐａ㊁５００Ｐａ㊁１ｋＰａ）的动态响应进行测试㊂图７（ａ）表明，该传感器最低检测压强为２０Ｐａ，可以实现快速地对不同压强的动态响应检测㊂如图７（ｂ）表明，当传感器受到２０Ｐａ时，该传感器的响应时间为２００ｍｓ，响应速度相对较快㊂最后，通过反复加载／卸载５０次压强为１ｋＰａ的力验证该传感器稳定的重复性，如图７（ｃ）所示㊂（ａ）（ｂ）（ｃ）图７㊀双层微结构电极传感器的性能测试曲线２．２．３㊀基于双层微结构电极传感器的实际应用为了验证传感器的实际有效性，将设计好的传感器利用手指触觉感知动态和静态的能力传递摩尔斯密码的点㊁划以及点和划之间的停顿时间的信息㊂本次实验测试中传递 ＳＤＵＳＴ ５个字母㊂实验结果如图８所示，表明该方法设计的传感器能够满足摩尔斯密码的传递，具有动态响应快，稳定性好等特点㊂（下转第１７页）㊀㊀㊀㊀㊀第５期王辉等：霍尔式轮速传感器永磁体磁场均匀性测量方法研究１７㊀㊀图５所示㊂图５㊀测试结果由试验结果可知，均匀永磁体方差范围是０．０２５６０．０４３３ｖ２，不均匀永磁体为０．１６４８ ０．３０８ｖ２，所选门限值符合要求，且测试系统能够准确㊁快速识别永磁体磁场均匀性是否符合要求㊂３㊀结束语本文应用ＡＮＳＹＳ对均匀永磁体和不均匀永磁体磁场强度进行仿真分析，通过对比，提出了霍尔式轮速传感器永磁体磁场均匀性检测方法㊂并根据此方法构建了永磁体测试系统，该系统能方便快速的判断出被测永磁体的磁场均匀性是否符合生产要求，且成本较低，能够满足生产的需要㊂参考文献：［１］㊀陈综合，高鉴，陈庆樟．基于模糊ＰＩＤ的电动汽车电机制动ＡＢＳ控制研究［Ｊ］．机械设计与究，２０１８，３４（１）：１４５－１４９．［２］㊀周菊．ＡＢＳ霍尔式轮速传感器磁体测试技术研究［Ｄ］．南京：南京林业大学，２０１１．［３］㊀ＨＩＲＯＳＥＥ，ＴＡＮＡＫＡＫＨ，ＳＡＴＯＹ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｗ３ａｘｉｓｍａｇ⁃ｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｈａｌｌｅｌｅｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｐｐｌｉｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，２００４，１４（２）：１８１４－１８１７．［４］㊀何永周．永磁体外部磁场的不均匀性研究［Ｊ］．物理学报，２０１３，６２（８）：１４５－１５１．［５］㊀成荣，胡金春，杜胜武，等．基于矩形永磁体磁场信息的６自由度微位移精密测量［Ｊ］．机械工程学报，２０１８，５４（１２）：１４１－１４７．［６］㊀杨文英，翟国富，任万滨．小型永磁体空间磁场三维测量技术的探讨［Ｊ］．低压电器，２００７，４９（１７）：５－８．［７］㊀王臣，杨文英，翟国富，等．小型永磁体空间三维磁场测量系统的研究［Ｊ］．低压电器，２００９，５１（９）：２８－３１．［８］㊀邢红宏，张勇．霍尔效应磁场测量仪器的改进［Ｊ］．实验技术与管理，２０１６，３３（５）：７８－８１．作者简介：王辉（１９９３ ），硕士研究生，主要研究方向为汽车检测与诊断技术和汽车电子控制技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３９７４８７５４７＠ｑｑ．ｃｏｍ闵永军（１９６３ ），教授，主要研究方向为汽车检测与诊断和汽车振动与噪声控制㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙｊｍｉｎ＠ｎｊｆｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第１３页）图８㊀双层微结构电极传感器的实际测试结果３㊀结束语本文利用电容式传感器的设计原理，在电极表面引进微结构的方法来改善传感器的性能㊂通过测试分析不同层数的微结构电极的传感器性能参数，可以得出在电极表面增加微结构的途径能够有效地提高传感器的灵敏度㊂双层微结构电极传感器的灵敏度最高是无微结构电极传感器灵敏度的１７倍㊂对双层微结构电极的传感器进行动态响应㊁响应时间㊁重复性等参数进行测试㊂结果表明，该设计的传感器能够对不同动态压强的应力进行快速响应，具有良好的响应时间（２００ｍｓ）以及具有稳定的重复性㊂最后用传感器来传递摩尔斯密码来验证其实用性㊂该传感器在可应用于柔性可穿戴㊁机器人皮肤㊁智能假肢等领域㊂参考文献：［１］㊀ＬＵＮＳ，ＫＩＭＤＨ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｐａｖｉｎｇｔｈｅｗａｙｆｏｒｓｏｆｔｒｏｂｏｔｉｃｓ［Ｊ］．ＳｏｆｔＲｏｂｏｔｉｃｓ，２０１４（１）：５３－６２．［２］㊀ＫＩＭＪ，ＬＥＥＭ，ＳＨＩＭＨＪ，ｅｔａｌ．Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅｓｉｌｉｃｏｎｎａｎｏｒｉｂｂｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｆｏｒｓｋｉｎｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１４（５）：５７４７．［３］㊀廖璐璐，高鲲鹏，杨汉嘉，等．面向人体运动检测的纸基柔性压力阵列传感器［Ｊ］．传感器与微系统，２０１９，３８（１０）：５７－６０．［４］㊀杜青，李刚，胡杰，等．基于Ｃ－ＰＤＭＳ介质层的柔性电容式传感器研究［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（２）：１－３；８．［５］㊀易艺，宋爱国，李会军，等．电容式柔性触觉传感器设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１９，３２（８）：１１２３－１１２９．［６］㊀ＰＡＲＫＳＪ，ＫＩＭＪ，ＣＨＵＭ，ｅｔａｌ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｐｒｅｓ⁃ｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇｗｒｉｎｋｌｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｆｏｒｈｕ⁃ｍａｎｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｅｃｈｎｏｌｏ⁃ｇｉｅｓ，２０１８，３（１）：１７００１５８．［７］㊀束逸．基于新型微纳结构的柔性压力传感器基础研究［Ｄ］．北京：清华大学，２０１５．［８］㊀刘旭，武澎，吕延军．一种柔性ＰＶＤＦ压电薄膜传感器的制备方案［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１６（１）：４－６．［９］㊀ＪＩＺＰ，ＺＨＵＨ，ＬＩＵＨＣ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａ⁃ｔｉｏｎｏｆａｆｌｅｘｉｂｌｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｉｎｇａｒｒａｙｆｏｒｒｏｂｏｔｓｋｉｎ［Ｊ］．Ｓｅｎ⁃ｓｏｒｓ，２０１６，１６（１２）：２００１．［１０］㊀ＰＲＵＶＯＳＴＭ，ＳＭＩＴＷＪ，ＭＯＮＴＥＵＸＣ，ｅｔａｌ．Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃｆｏａｍｓｆｏｒｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｈｉｇｈｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅｌｏｗ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｃａｐａｃｉ⁃ｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＰａｒｔｎｅｒＪｏｕｒｎａｌｓ，２０１９，３（１）．作者简介：张鹏（１９９４ ），硕士研究生，主要从事柔性传感器㊁柔性电子皮肤的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｄｕｓｔｚｈａｎｇｐｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。
具有多孔双微结构层的柔性电容式压力传感器
具有多孔双微结构层的柔性电容式压力传感器孙翰轩;陈盛华;徐策;王志华【期刊名称】《微纳电子技术》【年(卷),期】2024(61)4【摘要】电极和介电层的材料性能和表面结构是决定柔性电容式压力传感器性能的关键因素。
将碳纳米管(CNT)与硅橡胶结合制备出拉伸性能优良的斜线型微结构电极层。
以聚二甲基硅氧烷(PDMS)/BaTiO_(3)/SrTiO_(3)复合材料制备多孔砂纸微结构介电层。
电极与介电层交界面构成双重微结构以提升电荷携带能力。
场发射扫描电子显微镜与光学显微镜观测结果验证了上述微结构的存在。
基于电容模型的分析表明,传感器灵敏度主要取决于多孔介电层的形变量。
所制备的多孔双微结构层柔性电容式压力传感器最高灵敏度为2.681 kPa^(-1),在3~5 kPa的压力区间仍具有0.412 kPa^(-1)的灵敏度,响应时间和释放时间分别约为39和61 ms。
该传感器能够检测出吞咽时咽部运动的微小压力,实验中测得的最小电容变化率为0.13%,能够识别0.53 Pa的微小压力,具有较低的检测限。
进行6000次以上的压缩循环测试后,传感器加载-卸载曲线重合性好,同时对不同频率压力的响应良好,验证了传感器良好的可重复性。
总之,所提出的传感器具有良好的压力感知性能,在生理信号监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。
【总页数】9页(P105-113)【作者】孙翰轩;陈盛华;徐策;王志华【作者单位】河北工业大学电气工程学院省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室;中国石油渤海装备辽河钻采装备分公司【正文语种】中文【中图分类】TP212【相关文献】1.微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究2.基于黑磷烯/氧化石墨烯双介质层的柔性电容式压力传感器3.基于微半球结构液态金属弹性体的柔性电容式压力传感器4.高灵敏度电容式柔性压力传感器的设计与优化5.柔性电容式压力传感器制备及测量综合实验因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究全勇;魏雄邦;肖伦;吴涛;庞韩英;吴双红;陈志;蒋亚东【摘要】The sandwich structure flexible capacitive pressure sensor was designed.The sensor adopted polydimethylsiloxane(PDMS)as flexible substrate,silver nanowires as the electrode material,and PDMS as dielectric layer,in addition,the substrate was made by two kinds of structures,the obscured glass substrate with micro-nano structured surface and the smooth glass substrate without micro-nano structured surface,as effective moulds for construction of flexible PDMS thin films.We laminated the two AgNWs/PDMS films together,face-to-face,with another PDMS as dielectric layer,to obtain the capacitive strain sensor,and then study the influence of micro-nano structure on the sensor sensitivity.And the sensitivity of micro-structured AgNWs/PDMS composite sensor was about 1.0 kPa-1,while the sensitivity of flat structured sensor was about 0.6 kPa-1.Research has shown that micro-nano structured electrode can effectively improve the sensitivity of the device.%设计制备出三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行研究.该传感器以银纳米线为电极材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性衬底,同时采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出微纳结构和平面结构的PDMS薄膜.然后采用喷涂法制备AgNWs/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响.本文研究表明,具有微纳结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为1.0 kPa-1,而平面结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为0.6 kPa-1,由此可知具有微纳结构的柔性衬底能够显著提高器件的灵敏度.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2017(030)003【总页数】4页(P337-340)【关键词】柔性压力传感器;微纳结构;聚二甲基硅氧烷(PDMS);银纳米线【作者】全勇;魏雄邦;肖伦;吴涛;庞韩英;吴双红;陈志;蒋亚东【作者单位】电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054;电子科技大学光电信息学院,成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TP212柔性压力传感器因其具有柔性特性,既能贴附于不规则或者刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤[1],其具有拉伸性以及外力的的感知特性,在人机交互系统和探测传感器系统[2]、智能家居、手持式消费电子产品[3]、医疗健康检测设备[4-6]、环境监测[7]等领域有着潜在的应用价值从而受到了越来越多的关注。
根据不同的工作原理现在较为流行的压力传感器可分为电阻式、电容式和压电式。
其中电容式传感器具有灵敏度高、迟滞小、动态响应好、温度稳定性好的优点而备受关注。
柔性电容式的压力传感器是通过施加压力后电容值的变化来探测压力值大小,并对探测微小压力有着很高的灵敏度。
其具有柔性化、可拉伸、生物相容性好、结构简单、工作可靠、分辨力高、动态响应快等优点。
柔性压力传感器因为其众多的优点,得到了国内外科研人员的广泛关注。
美国斯坦福大学鲍哲南教授团队[8]将液态的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倾注于倒金字塔形状的硅片模板中,固化并从模板中剥离得到带有微结构的PDMS作为介电层。
由于PDMS具有非常好的弹性并且形变恢复快,故制备出的电容式压力传感器有较高的灵敏度,高达0.55 kPa-1,对微小的外力有非常好的响应。
中国科学院苏州纳米所张珽团队[4]报道了一种高灵敏度、低检出限的柔性电子皮肤,首先是用PDMS复制丝绸的微结构,然后将碳纳米管薄膜转移到PDMS的微结构表面上,最后制备出了两个对电极面对面组合在一起的柔性压力传感器,其灵敏度高达1.8 kPa-1。
但是目前对柔性压力传感器的微结构的制备大多都采用了光刻等复杂的制备工艺,这将造成成本的大大提高[8-9]。
因此,追求柔性压力传感器的低成本、快速、大面积的制备必然是一种发展的趋势[10]。
本文设计制备了一种三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行了研究。
该传感器以银纳米线为电极材料,以PDMS为柔性衬底,并采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出具有微纳结构和平面结构的PDMS薄膜。
然后分别采用喷涂法制备银纳米线/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响。
1.1 银纳米线导电材料的合成作为电极材料的银纳米线,是采用多元醇的方法制备的[12]。
首先分别配制0.1 M的硝酸银(AgNO3)乙二醇溶液、0.3 M的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(分子量为30 000)乙二醇溶液、2 mmol/L的氯化钠(NaCl)的乙二醇溶液。
然后将上述混合液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,在160 ℃烘箱中,反应2 h,得到纳米线混合液,再向得到的银纳米线混合液中加入3倍～5倍的丙酮,经过5 000 rad/min离心处理20 min,重复3次～5次,倒去上层清液,接着加入去离子水进行离心处理,以除去分散液中的PVP等杂质。
最后将得到的沉淀取出后加入50 mL的丙酮,并超声振荡得到稳定的AgNWs分散液,其浓度为5 mg/mL。
1.2 传感器的制备采用(3 cm×3 cm)毛面玻璃和光面玻璃作为两种模具,分别将玻璃基底依次经过丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后,以待用。
将PDMS主剂和硬化剂按质量比10∶1的比例混合,在真空中静置除去气泡,得到PDMS旋涂液;然后将混合液旋涂于上述两种玻璃基底上,在70 ℃的温度下进行固化成型。
将固化成型后的PDMS 薄膜剥离下,进行等离子体氧处理使其表面亲水,分别得到具有微纳结构和平面结构的PDMS底层柔性衬底。
将上述实验得到的银纳米线分散液加入喷笔中[13],并将柔性衬底放在加热台上,调节加热台的温度为100 ℃,喷涂银纳米线,即可在底层柔性衬底上得到银纳米线导电薄膜,然后在120 ℃温度下退火2 h,得到致密的、高导电性的银纳米线薄膜。
制备两个同样大小的光滑的PDMS薄膜作为两种传感器的介电层,然后将两个AgNWs/PDMS复合薄膜电极按照“三明治”结构面对面封装,并在传感器的两端粘贴电极引线,即得到电容式柔性压力传感器。
1.3 分析与测试银纳米线的表征采用的是岛津紫外可见分光光度计(UV-1700),测试其紫外可见光谱。
通过对溶液吸收峰的观察,可分析出银纳米线分散液的主要成分。
并采用JSM-5900LV扫描电子显微镜对样品的表面进行观测和表征,和艾德堡HP-5数字推拉力计对传感器施加压力,以及天宇DT-6013数字电容表测试传感器的电容值。
2.1 薄膜的表征图1(a)为银纳米线溶液的紫外可见光谱。
由图中可以看出有两个吸收峰,分别为350 nm和378 nm,它们符合银纳米线的特征吸收峰,证明了银纳米线较好的分散在溶液中。
由图1(b),可以看出采用多元醇法合成的银纳米线的形貌比较均一,无杂质存在,并且有较高的长径比,其直径约为102 nm,长度约为10 μm～30 μm。
图1(c)、图1(d)分别给出了PDMS薄膜的平面结构和微纳结构,从图1(c)中可以看出由光面玻璃为模板制备的PDMS薄膜表面比较平整,而图1(d)中由毛面玻璃为模板制备的PDMS薄膜表面有许多凸起的微结构,其中凸起的高度约为4.5 μm。
研究这两种结构的PDMS对传感器性能的影响具有重要意义。
2.2 传感器性能的对比为了更好地研究微纳结构对传感器性能的影响,分别对具有平面结构和微纳结构的两种传感器进行测试[11]。
图2(a)为平面结构的柔性压力传感器对333 Pa压力的连续响应曲线,图2(b)为微纳结构的柔性压力传感器对333 Pa压力的连续响应曲线。
由图中可以看出这两种结构的传感器都具有良好的稳定重复性,但微纳结构的传感器明显比平面结构的传感器响应度高。
传感器的压强和响应度之间的关系如图2(c)所示,平面结构的传感器与微纳结构的传感器的灵敏度有明显的差异。
通常灵敏度定义为单位压强上传感器的响应度变化量,其公式如下:C=ε0εr(A/d)式中:C1为传感器的响应后电容值,C0为初始未加压强的电容值,P为所加压强值。
ε0为真空介电常数,εr为相对介电常数,d为极板间距,A为两极板间的有效面积。
由式(1)可知,传感器的灵敏度为图2(c)中曲线的斜率。
由图2(c)可知,具有微结构的柔性压力传感器灵敏度的曲线斜率比平面结构的传感器大。
当压强小于500 Pa时,微结构的传感器的灵敏度为1.0 kPa-1,平面结构的传感器的灵敏度为0.6 kPa-1;当压强大于500 Pa时,微结构的传感器的灵敏度为0.08 kPa-1,平面结构的传感器的灵敏度为0.045 kPa-1。
针对不同的压力范围,其灵敏度的这种大的差异主要是由于微结构的存在而产生的。
由此可知,传感器的电极复合薄膜的微结构有利于提高其灵敏度。